Comandi di volo e sistemi di controllo del volo

Disegno schematico comandi di volo con cavi e pulegge

I Comandi di volo ed i sistemi di controllo sono costituiti dall'insieme delle superfici di controllo di volo, i rispettivi controlli della cabina di guida, i collegamenti alle superfici, i meccanismi operativi necessari per controllare la direzione di un aeromobile in volo ed i controlli per i comandi del motore dei velivoli, in quanto comandano le variazioni di velocità.

I controlli dei comandi di volo sono ampliati nella voce Pilotaggio degli aeroplani, dove vengono dettagliati gli essenziali comandi su cui il pilota può agire per modificare l'assetto, la direzione e la velocità.

Comandi in cabina

Controlli primari

I controlli primari dei comandi in cabina, generalmente sono i seguenti:

• la cloche o barra di comando, per degli spostamenti laterali attraverso il comando degli alettoni  e per gli spostamenti in avanti e indietro attraverso i comandi all’ equilibratore.
• la pedaliera per il controllo dell'imbardata attraverso il comando del timone.
• La manetta per il comando della quantità di gas al motore e per la regolazione della velocità.

Grumman F-14 Tomcat con impennaggio bideriva

Fouga Magister CM-170R con impennaggio a V

Anche quando un aereo usa superfici di controllo di volo, non convenzionali, come un impennaggio bideriva oppure con deriva a V, flaperons, oppure elevoni, per evitare confusione al pilota, il sistema di controllo di volo del velivolo sono comunque progettati in modo convenzionale: sia la barra di comando o cloche per il controllo del rollio e del beccheggio sia la pedaliera del timone per imbardata.

Un Blériot VIII a Issy-les-Moulineaux, il primo velivolo progettato con i primi comandi di volo come quelli ancora in uso.

Lo schema base per i moderni comandi di volo, risale dai pionieri dell'aviazione francese come Robert Esnault-Pelterie e Louis Blériot con i controlli Esnault-Pelterie sul monoplano Blériot VIII nell'aprile 1908, normalizzando lo schema nel luglio 1909 sul Blériot XI.

I comandi di volo sono stati insegnati per molti decenni, sulle basi del manuale Stick and Rudder: An Explanation of the Art of Flying scritto nel 1944 da Wolfgang Langewiesche.

Controlli secondari

Oltre ai controlli di volo primari per rollio, beccheggio e imbardata ci sono spesso a disposizione del pilota, dei controlli secondari per migliorare le condizioni di volo o per alleviargli il carico di lavoro. Il trim è il controllo più comunemente disponibile ed è un dispositivo per controllare l’assetto, in modo che il pilota non abbia da mantenere costantemente la forza sulla barra di comando, per spostarla in avanti o indietro, per tenere un assetto specifico (altri tipi di compensatori sono per il timone e per gli alettoni, generalmente comuni sulla aerei di grandi dimensioni).

Sistemi di controllo del volo

Sistemi Meccanici

_{Velivolo de Havilland Tiger Moth con i comandi del timone via cavi.}

I sistemi meccanici o manuali, sono il metodo più semplice per il controllo di un velivolo. Essi sono stati utilizzati nei primi aeromobili e sono attualmente utilizzati in piccoli aerei, dove le forze aerodinamiche non sono eccessive. I primi velivoli, come il Wright Flyer I, Blériot XI e Fokker Eindecker utilizzavano la deformazione dell'ala per controllare il rollio e non le convenzionali superfici di controllo, ed a volte neanche per il controllo dell'assetto longitudinale (a picchiare o a cabrare) come il Wright Flyer I e le versioni originali del 1909 dell' Etrich Taube, che avevano solo un doppio timone che regolava l'imbardata. Un sistema di controllo del volo manuale, utilizza un insieme di parti meccaniche quali: aste, cavi in tensione, pulegge, contrappesi, e talvolta catene per trasmettere le forze applicate dal pilota direttamente alle superfici di controllo. Per regolare la tensione del cavo di comando sono spesso utilizzati dei tenditori. Il Cessna Skyhawk è un tipico esempio di un aeromobile che utilizza questo tipo di sistema manuale non potenziato. I blocco comandi (in lingua inglese come gust lock), sono spesso utilizzati sugli aerei con sistemi meccanici, per proteggere le superfici di controllo ed i collegamenti dai danni da vento, quando sono parcheggiati.

^{Schema di un circuito idraulico con valvola di comando manuale}

In velivoli di grandi dimensioni e quindi con grande superficie alare oppure elevati carichi aerodinamici derivanti dalla velocità, nei velivoli ad alte prestazioni, si rende necessario l'utilizzo di sistemi motorizzati per ridurre lo sforzo del pilota ed ottenere il massimo vantaggio meccanico.

Sistemi Idraulici - Meccanici

La complessità, il peso e le alte prestazioni del velivolo, aumentano notevolmente il lavoro dei sistemi meccanici di controllo del volo ma l'utilizzo della potenza idraulica aiuta a superare questi limiti. Con i sistemi idraulici di controllo del volo, le dimensioni e le prestazioni del velivolo sono solo limitati dal costo economico invece che dalla forza muscolare del pilota. Agli inizi sono stati usati sistemi solo parzialmente potenziati, in cui il pilota sentiva ancora alcuni dei carichi aerodinamici sulle superfici di controllo (feedback).

^{Disegno schematico comandi di volo}

Un sistema idromeccanico di controllo del volo è composto principalmente da:

• Un circuito meccanico, che è collegato alla cabina per il controllo dei circuiti idraulici, composto di aste, cavi, pulegge, e talvolta catene.
• Un circuito idraulico, con pompe idrauliche, serbatoi, filtri, tubi, valvole e attuatori idraulici. Gli attuatori sono alimentati dalla pressione idraulica generata dalle pompe del circuito idraulico e convertono la pressione idraulica in movimenti e le servo valvole controllano il movimento degli attuatori.

L'azione del pilota su un controllo in cabina, fa sì che attraverso il circuito meccanico apre la servovalvola corrispondente nel circuito idraulico. La potenza idraulica del circuito attraverso gli attuatori muove le superfici di controllo, nel momento in cui si muove l'attuatore, la servovalvola viene chiusa da un leveraggio meccanico ed attraverso un sistema di retroazione blocca il movimento della superficie di controllo nella posizione desiderata.

Dispositivi di sensibilità artificiali

Con i sistemi di controllo di volo puramente meccanici, le forze aerodinamiche sulle superfici di controllo sono trasmesse attraverso i meccanismi ed avvertiti direttamente dal pilota, consentendo un feedback della velocità dell'aria e relative sollecitazioni. Con i sistemi di controllo di volo idromeccanici, tuttavia, il carico sulle superfici non può essere sentito e vi è il rischio di sovrasollecitazioni dell'aeromobile attraverso l'eccessivo movimento superficie di controllo. Per superare questo problema, sono stati utilizzati dei dispositivi di sensibilità artificiale.

Stick shaker

Lo stick shaker (letteralmente scuoti-barra) è un dispositivo meccanico che fa vibrare velocemente e rumorosamente la barra di comando per avvertire il pilota che è imminente uno stallo.

Sistemi di controllo Fly-by-wire

Il sistema di controllo Fly-by-Wire, a volte chiamato Digital-Fly-by-Wire o abbreviato in FBW, letteralmente volare tramite cavo, è un sistema che sostituisce i tradizionali comandi di volo diretti (cioè direttamente connessi agli elementi da controllare, meccanicamente o tramite un sistema idraulico) con un sistema di comando elettronico digitale. Le connessioni meccaniche tra barra di comando e superfici alari sono così sostituite da una catena di trasduttori e sensori (potenziometri ed encoder) che dalla cloche inviano, tramite segnali elettrici, la posizione della stessa a uno o più computer che, dopo opportune elaborazioni, trasmettono i segnali ad appositi attuatori i quali a loro volta muovono le superfici aerodinamiche attraverso il sistema idraulico o attraverso attuatori elettromeccanici.

Bibliografia

• (EN) Wolfgang Langewiesche, Stick and Rudder: An Explanation of the Art of Flying, McGraw-Hill Professional, 1990, ISBN 0-07-036240-8, ISBN 978-0-07-036240-6.
• (EN) Spitzer, Cary R. The Avionics Handbook, CRC Press, ISBN 0-8493-8348-X
• (EN) Stengel, R. F. Toward Intelligent Flight Control, IEEE Trans. Systems, Man, and Cybernetics, Vol. 23, No. 6, November–December 1993, pp. 1699–1717.
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• (EN) Thom, Trevor. The Air Pilot's Manual 4-The Aeroplane-Technical. 1988. Shrewsbury, Shropshire, England. Airlife Publishing Ltd. ISBN 1-85310-017-X
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